CN107101725A - 一种标准光源和相对辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种标准光源和相对辐射定标方法，所述标准光源，包括：真空系统和射频电路；真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；充气系统为真空腔体内充气，真空泵为真空腔体抽气；射频电路包括射频电源和射频电极；射频电极的一部分位于真空腔体内；射频电源与射频电极相连，为射频电极提供电能；真空腔体内的气体在射频电极的放电下，产生气体的等离子体，发射出光。采用射频放电，产生等离子体，发射光谱。因本发明标准光源利用谱线分支比原理的标准光源的谱线强度比是固定值，不会随时间改变，可以长时间有效工作，因此，无需定期对标准光源进行定标，节约了标准光源定标的时间和过程，从而提高了标准光源的使用率。
Description
技术领域
本发明涉及光源技术领域，尤其涉及一种标准光源及采用所述标准光源的相对辐射定标方法。
背景技术
在辐射度学中，绝对辐射定标是建立辐射量与探测器输出量的数值联系的过程。而在应用多通道光谱仪作为探测器的实际使用中，很多情况下并不关心辐射量与探测器输出量的绝对数值联系，而只考虑矫正探测器不同像元的响应度。对多通道光谱仪的不同通道的响应度差异进行矫正就是相对辐射定标，它属于一种均匀性矫正。经过相对辐射定标后，若入射进每个通道的光子数(或功率)相等，则每个通道输出的数值也相等。
现有技术中绝对辐射定标和相对辐射定标用的光源都是有校准证书的标准光源，例如，在250-2500nm波段的标准光源为国家计量研究院的卤钨灯光源。但由于卤钨灯光源长时间工作后会不稳定，一般需要每年重新标定一次才能正常使用，标定过程比较耗时，造成标准光源的使用率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种标准光源以及采用该标准光源进行相对辐射定标的方法，以解决现有技术中标准光源在使用一定时间后，工作不稳定，需要重新标定，而标定过程比较耗时，造成标准光源的使用率较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种标准光源，包括：
真空系统和射频电路；
所述真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；
所述充气系统为所述真空腔体内充气，所述真空泵为所述真空腔体抽气；
所述射频电路包括射频电源和射频电极；
所述射频电极的一部分位于所述真空腔体内；所述射频电源与所述射频电极相连，为所述射频电极提供电能；
所述真空腔体内的气体在所述射频电极的放电下，产生所述气体的等离子体，发射出光。
优选地，所述充气系统包括气瓶、进气管和流量计，所述气瓶经过流量计与所述进气管相连。
优选地，所述真空腔体包括观察窗口。
优选地，所述观察窗口为石英观察窗口。
优选地，所述真空腔体包括光纤馈入法兰，所述光纤馈入法兰用于将所述真空腔体内的光引出所述真空腔体。
本发明还提供一种相对辐射定标方法，包括：
提供标准光源，所述标准光源为上面任意一项所述的标准光源；
测量所述标准光源的光谱，得到所述标准光源的光谱图；
对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线。
优选地，所述测量所述标准光源的光谱，得到所述标准光源的光谱图，具体包括：
采用经过校准后的光谱仪系统对所述标准光源进行光谱测量；
得到所述标准光源的光谱图。
优选地，所述光谱仪系统为使用线性CCD阵列作为探测器的多通道光谱仪。
优选地，所述经过校准后的光谱仪系统为采用标准石英卤钨灯进行相对辐射定标的光谱仪系统。
优选地，所述对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线，具体包括：
按相同上能级对所述标准光源的光谱图中的谱线进行分组；
预设谱线误差阈值；
将同组谱线的相对强度比与理论谱线分支比进行比较；
筛选出误差小于所述预设谱线误差阈值的谱线；
将筛选出的谱线列表，作为所述标准光源的标准谱线。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的标准光源，包括：真空系统和射频电路；所述真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；所述充气系统为所述真空腔体内充气，所述真空泵为所述真空腔体抽气；所述射频电路包括射频电源和射频电极；所述射频电极的一部分位于所述真空腔体内；所述射频电源与所述射频电极相连，为所述射频电极提供电能；所述真空腔体内的气体在所述射频电极的放电下，产生所述气体的等离子体，发射出光。采用射频放电，产生等离子体，发射光谱。根据能级跃迁的谱线分支比原理，对于从同一上能级向不同下能级自发辐射跃迁的数条不同波长的谱线，不同波长谱线的强度是成固定比例的，该比例只和能够查得的能级参数有关。因此射频等离子体中从同一上能级向下跃迁的数条自发辐射谱线的相对强度是固定的，可以用作相对辐射定标的标准。利用谱线分支比原理的标准光源的谱线强度比是固定值，不会随时间改变，可以长时间有效工作，因此，无需定期对标准光源进行定标，节约了标准光源定标的时间和过程，从而提高了标准光源的使用率。
而且，任何通过射频产生等离子体的光源都可以制作成相对辐射定标的标准光源，比现有技术中的标准光源的使用范围更加广泛。
本发明提供的相对辐射定标方法，由于采用的标准光源为上面所述的标准光源，仅使用容易获得的等离子体源即可进行相对辐射定标，使光谱仪系统的辐射定标不再依赖于经校准的标准光源。标准光源可以根据实际应用选择合适的等离子体激发，容易获得，甚至可以实现原位和在线定标。其中，原位指的是位置上的，不需要移动标准光源的位置；在线指的是在线实时的，即时间上的，在使用标准光源进行生产、实验等工作的过程中，也可以一边工作一边标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种标准光源的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种标准光源的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种相对辐射定标方法流程图；
图4为本发明实施例提供的对谱线进行识别的具体方法流程图；
图5为本发明实施例提供的一种80W射频功率氩等离子体标准光源的发射光谱图。
具体实施方式
正如背景技术部分所言，现有技术中采用的标准光源在长时间工作后会出现不稳定，需要重新标定才能正常使用，而标定过程比较耗时，造成标准光源的使用率较低。而且标准光源操作起来必须十分小心，并且每隔一段时间需要送到专业计量机构重新校准，来回耗时很多。
基于此，本发明提供一种标准光源，包括：
真空系统和射频电路；
所述真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；
所述充气系统为所述真空腔体内充气，所述真空泵为所述真空腔体抽气；
所述射频电路包括射频电源和射频电极；
所述射频电极的一部分位于所述真空腔体内；所述射频电源与所述射频电极相连，为所述射频电极提供电能；
所述真空腔体内的气体在所述射频电极的放电下，产生所述气体的等离子体，发射出光。
本发明提供的标准光源使用容易获得的等离子体激发得到，由于等离子体激发的谱线强度比是固定值，不会随时间改变，可以长时间有效工作，并且任何射频等离子体光源都可以制作成相对辐射定标的标准光源。采用等离子体标准光源即可进行相对辐射定标，是光谱仪系统的辐射定标不再依赖于经校准的标准光源。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种标准光源的结构示意图，所述标准光源包括：真空系统1和射频电路2；真空系统1包括真空腔体11、真空泵12和充气系统13；充气系统13为真空腔体11内充气，真空泵12为真空腔体11抽气；射频电路2包括射频电源21和射频电极22；射频电极22的一部分位于真空腔体11内；射频电源21与射频电极22相连，为射频电极22提供电能；真空腔体11内的气体在射频电极22的放电下，产生气体的等离子体，发射出光。
需要说明的是，本发明实施例中不限定所述充气系统的具体结构，可选的，如图2所示，为本发明实施例提供的一种标准光源的具体结构示意图；其中，充气系统包括气瓶131、进气管132和流量计133，气瓶131与进气管132通过流量计133相连，流量计133用于显示气瓶131充入到真空腔体11内的气体流量，方便用户查看通入真空腔体11内的气体流量，需要说明的是，通过充气系统的充气和真空泵12的抽气，控制真空腔体11内的真空度，本发明实施例还可以在真空腔体11上连接真空计112，用于查看真空腔体11内的真空度，以满足不同等离子体的形成。
为了方便真空腔体11内的气体在射频电源21给射频电极22通电后，射频电极22进行放电产生的等离子体发出的光被外界探测器进行光谱测量，本实施例中，真空腔体11上还设置有观察窗口111，需要说明的是，观察窗口的存在不能影响真空腔体11的真空度，而且需要透光性较强，对等离子体发出的光不能有光谱方面的影响，因此，本实施例中优选的，观察窗口111为石英观察窗口。
另外，为了保证真空腔体11的真空度，本实施例中还可以通过在真空腔体11的腔壁上设置光纤馈入法兰，将真空腔体11内的等离子体发出的光引出，即采用光纤馈入法兰代替石英观察窗口111，实现光的引出。本实施例中对真空腔体11内光的引出方式不做限定，可以根据实际情况，进行选择。
需要说明的是，本发明提供的标准光源的工作原理具体为：
根据能级跃迁的谱线分支比原理，对于从同一上能级向不同下能级自发辐射跃迁的数条不同波长的谱线，它们的强度是成固定比例的，该比例只和能够查得的能级参数有关。
具体的，根据Branching Ratio(分支比)方法，标准光源提供相对辐射定标的标准：
从同一上能级向下发生两种波长λ1和λ2的跃迁，它们的跃迁几率分别是A1和A2，它们的下能级简并度分别为g1和g2，则对应的谱线分支比(即Branching ratio，简记为BR)为
下能级简并度g、跃迁几率A由谱线数据库查询得到。
对于从同一上能级向下跃迁的n条谱线(波长为λ1，λ2，…，λn)，定义其中一条的谱线强度为1，则可以通过BR方法计算出其他n-1条谱线的相对强度。这样，波长λ1，λ2，…，λn处的谱线可以作为相对辐射定标的标准。
需要说明的是，本发明实施例中用于Branching Ratio法的谱线要满足以下条件：谱线是自发辐射产生的谱线；谱线无自吸收或可以进行自吸收修正。
作为本发明的具体实施例，标准光源如图2所示，工作过程为：真空腔体中有射频电极，真空腔体内充入氩气至85Pa后，电极开始放电产生氩的射频等离子体。腔体一侧为石英观察窗，光谱仪系统通过观察窗测量射频等离子体的发射光谱。光谱仪是使用线性CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)阵列作为探测器多通道光谱仪，本实施例中光谱仪的探测波段为400nm-500nm，从而能够得到氩射频等离子体标准光源的光谱图。从中筛选出与李云谱线分支比相近的谱线作为标准谱线。
需要说明的是，本发明实施例中仅以氩气体为例进行说明，但本发明实施例对所述真空腔体内充入的气体的种类不做限定，但必须为纯元素气体。并且对所述真空腔体内的压强也不做限定，根据实际实验需求而设计。
本发明提供的标准光源，包括：真空系统和射频电路；真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；充气系统为真空腔体内充气，真空泵为真空腔体抽气；射频电路包括射频电源和射频电极；射频电极的一部分位于真空腔体内；射频电源与射频电极相连，为射频电极提供电能；真空腔体内的气体在射频电极的放电下，产生气体的等离子体，发射出光。采用射频放电，产生等离子体，发射光谱。
根据能级跃迁的谱线分支比原理，对于从同一上能级向不同下能级自发辐射跃迁的数条不同波长的谱线，不同波长谱线的强度是成固定比例的，该比例只和能够查得的能级参数有关。因此射频等离子体中从同一上能级向下跃迁的数条自发辐射谱线的相对强度是固定的，可以用作相对辐射定标的标准。利用谱线分支比原理的标准光源的谱线强度比是固定值，不会随时间改变，可以长时间有效工作，因此，无需定期对标准光源进行定标，节约了标准光源定标的时间和过程，从而提高了标准光源的使用率。
而且，任何通过射频产生等离子体的光源都可以制作成相对辐射定标的标准光源，比现有技术中的标准光源的使用范围更加广泛。
由于本发明实施例中用于Branching Ratio法的谱线要满足以下条件：谱线是自发辐射产生的谱线；谱线无自吸收或可以进行自吸收修正。而对射频等离子体光源的谱线进行筛选，选出符合上述条件的谱线作为相对辐射定标的标准。对于上述两个条件，不太容易进行直接判定，所以可以考虑采用间接判定的方式，将这些谱线的分支比和测得的谱线强度比相比较，选择出误差较小的那些谱线作为辐射定标的标准。
基于上面实施例提供的标准光源，本发明实施例还提供一种相对辐射定标方法，如图3所示，包括：
S1：提供标准光源，所述标准光源为上面实施例所述的标准光源；
本实施例中所述的标准光源也即真空腔体中产生纯元素气体的射频等离子体光源。
S2：测量所述标准光源的光谱，得到所述标准光源的光谱图；
需要说明的是，本发明实施例不限定测量所述标准光源光谱的具体方法，可选的，采用经过校准后的光谱仪系统对所述标准光源进行光谱测量；得到所述标准光源的光谱图。所述光谱仪系统为使用线性CCD阵列作为探测器的多通道光谱仪。所述光谱仪系统可以采用标准石英卤钨灯进行相对辐射定标。
另外，可选的，本实施例中还可以采用黑体辐射方法进行标准光源光谱的测量，本实施例对此不做限定。
S3：对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线。
具体地，对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线，具体如图4所示，包括：
S31：按相同上能级对所述标准光源的光谱图中的谱线进行分组；
S32：预设谱线误差阈值；
需要说明的是，本实施例中步骤：预设谱线误差阈值，还可以位于步骤：按相同上能级对所述标准光源的光谱图中的谱线进行分组之前，本实施例中对此不做限定。本实施例中对谱线误差阈值也不做限定，根据不同的标准光源可以选择设定不同的谱线误差阈值。
S33：将同组谱线的相对强度比与理论谱线分支比进行比较；
S34：筛选出误差小于所述预设谱线误差阈值的谱线；
需要说明的是，本实施例中不限定筛选过程的执行者，可以是人工筛选也可以是通过软件编程实现筛选。当产生的谱线数量较少时，可以优先采用人工筛选；当产生的谱线数量较多时，优先采用软件编程实现，从而能够提高筛选效率。
S35：将筛选出的谱线列表，作为所述标准光源的标准谱线。
具体的，本实施例的具体实施步骤如下：
(1)对包含石英观察窗在内的光谱仪探测系统用标准石英卤钨灯进行相对辐射定标的测量，得到光谱仪探测系统的相对光谱响应Rλ-λ，此处相对光谱响应R矫正的是不同像元对光子数响应的均匀性，下标λ代表光谱仪不同的CCD像元。
(2)采集标准光源的光谱，得到标准光源的谱线图如5所示，其中，横坐标为光谱的波长，纵坐标为光谱的强度，谱线图的强度计为Iλ’-λ。
本实施例中所述标准光源采用80W射频功率氩等离子体光源，其发射光谱波长范围为400nm-500nm，对应的，光谱仪探测器系统的探测波长范围也为400nm-500nm。
(3)由Rλ和Iλ‘计算得到标准光源真实的光谱分布Iλ＝Iλ’/Rλ。对此光谱分布进行识别，挑选出Ar的谱线，再按相同上能级进行分组，以每组波长最长的那条谱线强度为1，计算其余谱线的相对强度。
(4)将计算得到的相对谱线强度与根据Branching Ratio法得到的理论的谱线分支比进行比较，选择其中误差小于10％的谱线。所选谱线列在表格中。这些谱线就是所述80W射频功率氩等离子体光源的标准谱线。
表格1 80W射频功率氩等离子体光源的标准谱线
本发明实施例利用谱线分支比原理实现采用本发明上面实施例提供的标准光源的相对辐射定标方法，具体的，当从同一上能级向下跃迁的数条谱线如果都是通过自发辐射的方式向下跃迁的，则它们之间的相对强度关系只和跃迁几率A、下能级简并度g相关。g和A可以查标准数据库得到，因此数条谱线可以用作相对辐射定标的标准，矫正数条谱线对应波长处的探测器光谱响应度的均匀性。
本发明实施例提供的标定方法的优势：仅使用容易获得的等离子体源即可进行相对辐射定标，使光谱仪系统的辐射定标不再依赖于经校准的标准光源。标准光源可以根据实际应用选择合适的等离子体激发，容易获得，甚至可以实现原位和在线定标。其中，原位指的是位置上的，不需要移动标准光源的位置；在线指的是在线实时的，即时间上的，在使用标准光源进行生产、实验等工作的过程中，也可以一边工作一边标定。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种标准光源，其特征在于，包括：
真空系统和射频电路；
所述真空系统包括真空腔体、真空泵和充气系统；
所述充气系统为所述真空腔体内充气，所述真空泵为所述真空腔体抽气；
所述射频电路包括射频电源和射频电极；
所述射频电极的一部分位于所述真空腔体内；所述射频电源与所述射频电极相连，为所述射频电极提供电能；
所述真空腔体内的气体在所述射频电极的放电下，产生所述气体的等离子体，发射出光。
2.根据权利要求1所述的标准光源，其特征在于，所述充气系统包括气瓶、进气管和流量计，所述气瓶经过流量计与所述进气管相连。
3.根据权利要求1所述的标准光源，其特征在于，所述真空腔体包括观察窗口。
4.根据权利要求3所述的标准光源，其特征在于，所述观察窗口为石英观察窗口。
5.根据权利要求1所述的标准光源，其特征在于，所述真空腔体包括光纤馈入法兰，所述光纤馈入法兰用于将所述真空腔体内的光引出所述真空腔体。
6.一种相对辐射定标方法，其特征在于，包括：
提供标准光源，所述标准光源为权利要求1-5任意一项所述的标准光源；
测量所述标准光源的光谱，得到所述标准光源的光谱图；
对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线。
7.根据权利要求6所述的相对辐射定标方法，其特征在于，所述测量所述标准光源的光谱，得到所述标准光源的光谱图，具体包括：
采用经过校准后的光谱仪系统对所述标准光源进行光谱测量；
得到所述标准光源的光谱图。
8.根据权利要求7所述的相对辐射定标方法，其特征在于，所述光谱仪系统为使用线性CCD阵列作为探测器的多通道光谱仪。
9.根据权利要求7所述的相对辐射定标方法，其特征在于，所述经过校准后的光谱仪系统为采用标准石英卤钨灯进行相对辐射定标的光谱仪系统。
10.根据权利要求6所述的相对辐射定标方法，其特征在于，所述对所述光谱图中的谱线进行识别，得到所述标准光源的标准谱线，具体包括：
按相同上能级对所述标准光源的光谱图中的谱线进行分组；
预设谱线误差阈值；
将同组谱线的相对强度比与理论谱线分支比进行比较；
筛选出误差小于所述预设谱线误差阈值的谱线；
将筛选出的谱线列表，作为所述标准光源的标准谱线。
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| CN201710470391.7A CN107101725A (zh) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | 一种标准光源和相对辐射定标方法 |
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|---|---|---|---|
| CN201710470391.7A Pending CN107101725A (zh) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | 一种标准光源和相对辐射定标方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111315106A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-19 | 北京东方计量测试研究所 | 一种等离子体发生器校准系统 |
| CN111721418A (zh) * | 2019-03-20 | 2020-09-29 | 北京振兴计量测试研究所 | 空间环境下校准源辐射参数定量化标定及量值传递系统 |
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-
2017
- 2017-06-20 CN CN201710470391.7A patent/CN107101725A/zh active Pending
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| CN111315106A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-19 | 北京东方计量测试研究所 | 一种等离子体发生器校准系统 |
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